基于巖土空間變異性的勘察與土工參數(shù)可靠性定量研究

摘 要：巖土工程的質(zhì)量和巖土空間變異性勘察效果、土工參數(shù)的可靠程度密切相關(guān)，提高勘察技術(shù)和研究技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急。本文主要結(jié)合實例論述了巖土空間變異性勘察策略和土工參數(shù)可靠性定量分析方法，以期能夠為相關(guān)的實踐提供些許理論參考。

關(guān)鍵詞：巖土空間；變異性勘察；土工參數(shù)定量研究

巖土空間變異性的準(zhǔn)確勘察以及獲取土工參數(shù)的可靠性對提高巖土工程質(zhì)量有著舉足輕重的影響，若勘察工作和參數(shù)分析工作沒有做到位，不僅會增大巖土工程基礎(chǔ)設(shè)計的成本支出，也會給巖土工程在投入使用后埋下諸多安全隱患。因此在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，應(yīng)當(dāng)提高對巖土空間變異性的勘察力度，也要提高土工參數(shù)獲得的準(zhǔn)確性，這是巖土工程師應(yīng)當(dāng)履行的職責(zé)，切實增強巖土工程勘察參數(shù)的有效性。

1 基于巖土空間變異性勘察與土工參數(shù)可靠性定量研究意義

通常情況下，巖土工程師在設(shè)計時都會遇到一個問題，也即如何更加準(zhǔn)確地獲得巖土工程基礎(chǔ)部分建設(shè)過程中所需要的、精準(zhǔn)程度較高的施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)資料，并且要充分確保獲得的數(shù)據(jù)資料具有很強的代表性。但是，實際情況卻不盡人意，在大多數(shù)條件下，勘察的數(shù)據(jù)總會由于各種原因而出現(xiàn)一系列的問題，有些是勘察的數(shù)據(jù)存在些許缺失，有些數(shù)據(jù)本身比較完整，卻不具備充分的代表性，有些數(shù)據(jù)的獲取途徑科學(xué)性不足，存在一定程度的主觀性和片面性，這些原因歸根結(jié)底是因為對巖土工程參數(shù)的空間變異性分析不足所致，故在實際的操作中，需對巖土工程的勘察范圍和具體位置的選擇作出周密的部署與安排，這樣才能達(dá)到預(yù)期的目的。例如在對垂直鉆孔方向的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時，或者對采樣的距離進(jìn)行合理規(guī)劃時，不僅要根據(jù)工程的需要設(shè)定最佳的鉆孔間距，同時也要充分考慮巖土勘察工程本身的場地情況，做最為適宜的采樣與測試安排，在提高工程安全效益的同時也要注重勘察工程的經(jīng)濟(jì)投入。傳統(tǒng)的勘察方案總是較少考慮過程的有效性，因此獲得的土工參數(shù)在科學(xué)性和準(zhǔn)確性方面都存在著不足，以后的設(shè)計方案要著重考慮勘察的有效性，尤其是要注意采取合理的措施，對巖土工程性質(zhì)的空間變異性以及不穩(wěn)定性作出比較準(zhǔn)確的評價，充分確保數(shù)據(jù)采集的效率，同時也可以最大限度提高巖土工程設(shè)計的可靠性和穩(wěn)定性，為工程的效益奠定堅實的基礎(chǔ)。

現(xiàn)行《巖土工程勘察規(guī)范》GB50021-2001對詳細(xì)勘察采取土試樣只作了定性及部分定量的規(guī)定，但這是對每個巖土工程勘察項目的最低要求。如規(guī)范規(guī)定每個場地不少于3個取樣孔，每一主要土層不少于6件土試樣等。它常常不能滿足對復(fù)雜多變的巖土性質(zhì)的評價。在實際工作中，單個取樣鉆孔中取樣的垂直間距也往往簡單化，常規(guī)定主要持力層為1～2m，其它土層為2～3m，缺乏空間分布的科學(xué)性，會出規(guī)該取樣的部位不取樣，而本可少取的部位又重復(fù)取樣的浪費現(xiàn)象，從而也影響了對整個場地進(jìn)行巖土評價的準(zhǔn)確性。所以在對具一定規(guī)模的工程項目勘察綱要編制時，宜進(jìn)行場地的巖土空間變異性與土工參數(shù)可靠性定量研究，以確定最佳的取樣方案。

2 基于巖土空間變異性勘察與土工參數(shù)可靠性定量研究實踐

以某巖土工程為例來說明基于巖土參數(shù)的空間變異性的勘察方案的制定策略。該巖土工程施工范圍內(nèi)的土層類型包括粘土層、粉質(zhì)粘土層、含粘土砂層以及砂土層，厚度分別為14m、20m、9m、12m。在設(shè)計勘察方案時，將率先采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸納，重新設(shè)立了新的巖土工程勘察數(shù)據(jù)庫，為工程參數(shù)的設(shè)計提供科學(xué)的依據(jù)。

根據(jù)相關(guān)的實踐研究可知，在巖土工程特性設(shè)計方面，對其設(shè)計參數(shù)的準(zhǔn)確性影響最大的因素主要包括巖土參數(shù)空間變異性、參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果的不確定性以及測量中產(chǎn)生的誤差。巖土參數(shù)空間變異性是重點研究的因素。在不同的自然環(huán)境條件下，同一時期形成的巖土性質(zhì)會發(fā)生變化；從一個特定的位置，轉(zhuǎn)移到另一個特定的位置后，縱然處于同樣均勻的土層之中，巖土的性質(zhì)也會產(chǎn)生顯著的變化；這與巖土長期形成的物理性質(zhì)的改變密切相關(guān)，巖土性質(zhì)發(fā)生的變異現(xiàn)象就被稱作是巖土空間變異性。位置的不同會導(dǎo)致巖土性質(zhì)的不同，同理可知在空間位置非常接近的條件下，則巖土工程沿途的性質(zhì)也會呈現(xiàn)出明顯的相似性，隨著空間距離的逐漸增大，差異性也就逐漸顯現(xiàn)出來。

實際勘察過程中，先是要科學(xué)把握巖土參數(shù)空間變異性的概率特點，通過大靜力觸探試驗方式，計算出巖土空間變異性的土體參數(shù)值，包括平均值、變異的系數(shù)，并求出在垂直方向和水平方向上的相關(guān)距離大小等，然后綜合考慮各種因素，對巖土工程的采樣和勘察方案進(jìn)行合理的分析，選出最佳的垂直間距和水平距離，不斷完善勘察的方案，從而最大限度降低工程勘察的可變性因素，提高勘察與分析研究的準(zhǔn)確性。

在設(shè)定勘察方案時，最關(guān)鍵的研究指標(biāo)就是相關(guān)距離，也是比較實用的指標(biāo)，借助該指標(biāo)可以判斷取樣的具體距離，為保證樣本采集過程中的獨立性，就要依據(jù)相關(guān)距離的特點，小于相關(guān)距離的取樣，會導(dǎo)致樣本性質(zhì)的趨同性，數(shù)據(jù)的采集工作就顯得比較多余，這是因為在距離較近的范圍內(nèi)，土體的性質(zhì)大概保持一致。所以根據(jù)不同的需求來確定采樣或者勘察的距離，若是為了獲得較為合理的勘察方案，采樣的距離要比相關(guān)距離稍大，若是為了進(jìn)一步判斷土工特性之間的相互關(guān)系，則要求采樣的距離小于相關(guān)距離，這樣可以更加準(zhǔn)確地獲得土體強烈的相關(guān)性。在該巖土工程中，根據(jù)計算可得，粘土層的垂直相關(guān)距離為0.48m，水平相關(guān)距離則為130m；在粉質(zhì)粘土層中，垂直相關(guān)距離為0.44m，水平相關(guān)距離則為125m；含粘土砂層中，垂直相關(guān)距離為0.32m，水平相關(guān)距離則為122m；而在砂土層中，垂直相關(guān)距離為0.35m，水平相關(guān)距離則為98m。依據(jù)勘察的原則，可以將粘土層的勘察間距設(shè)定為0.5m，粉質(zhì)粘土層的采樣間距可以設(shè)定為0.45m，含粘土砂層和砂土層的間距都為0.35m，在鉆孔的過程中，各個土層都要受到鉆孔的影響，因此只要選定一個水平間距即可達(dá)到勘察工程所需的效果，水平間距可以設(shè)定為小于130m。

一般的巖土工程中，包括很多類型的土性參數(shù)，有些參數(shù)和巖土工程整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能有著很大的關(guān)系，諸如砂土的摩擦角大小、粘土不排水性能和其產(chǎn)生的剪力強度值等，上述的土工參數(shù)均可以在實驗室中獲得，也可以通過原位試驗獲得，或者是通過相關(guān)的公式計算獲得。在實際的操作過程中，由于巖土工程中還有著許多尚未確定的影響因素，導(dǎo)致這些參數(shù)在實際應(yīng)用過程中的精準(zhǔn)程度很低，因此要對土工參數(shù)的可靠性進(jìn)行定量的分析與研究。當(dāng)前，在原位測試法應(yīng)用基礎(chǔ)上，形成了對巖土工程參數(shù)的進(jìn)一步調(diào)研與分析，這些測試可以為巖土工程項目提供更多的參考數(shù)據(jù)，且測試的成本比較低，但是這種測試方式和分析方案通常是采用相關(guān)的公式，將測量中獲得的數(shù)據(jù)作為巖土工程的設(shè)計參數(shù)來應(yīng)用，而土體本身固有的空間變異性以及公式轉(zhuǎn)換過程中的不確定性，使得分析與應(yīng)用過程也充滿著很多的不確定因素。因此在該工程中，可以通過檢驗不排水剪力強度來判斷土工參數(shù)，將其不確定性進(jìn)行量化分析。

3 結(jié) 語

綜上所述，巖土工程基礎(chǔ)設(shè)計過程中，影響施工質(zhì)量的因素包括巖土空間變異性勘察效果和土工參數(shù)的可靠性定量分析效果，為了加強巖土工程的施工質(zhì)量，必須采取相關(guān)的措施，增強現(xiàn)場勘察的力度和效率，不斷提高土工參數(shù)的分析研究精準(zhǔn)程度，以便為巖土工程的施工提供切實可靠的數(shù)據(jù)，為優(yōu)化資源配置奠定良好的基礎(chǔ)，同時也可以有效提高工程建設(shè)的整體質(zhì)量，將經(jīng)濟(jì)效益與社會效益有機(jī)統(tǒng)一起來。

作者簡介：楊定國 （1958-），男，漢族，浙江諸暨人，水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè)，高級工程師，現(xiàn)任浙江省巖土力學(xué)與工程學(xué)會理事、浙江土力工程勘測院院長，主要從事巖土工程與地基處理方面的研究工作。